Meccanismo di spruzzi della produzione additiva con fusione laser a letto di polvere su superfici eterogenee

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 20384 (2022) Citare questo articolo

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La produzione additiva con polvere laser (PBF-LB) è un metodo di produzione additiva in grado di produrre parti ad alta precisione e completamente dense. Tuttavia, la garanzia della qualità in modo non distruttivo dell’assenza di difetti interni rimane impegnativa. Per mitigare i difetti interni è necessario chiarirne il meccanismo di formazione e migliorare le condizioni del processo PBF-LB. Pertanto, abbiamo sviluppato un sistema di monitoraggio in situ che combina la misurazione della morfologia superficiale mediante proiezione delle frange e la misurazione del campo termico con una telecamera ad alta velocità. Su superfici eterogenee in un pratico processo PBF-LB multitraccia, un indice di rugosità della superficie della parte costruita si alterava ciclicamente, in linea con la variazione dell'angolo tra la scansione laser e il flusso di gas atmosferico. Il monitoraggio con telecamera ad alta velocità ha mostrato che il bagno di fusione era asimmetrico e a forma di fuso e che gli schizzi venivano emessi principalmente dal lato della parte costruita del bagno di fusione. Inoltre, si è riscontrato che la morfologia della superficie della parte costruita sotto lo strato di polvere influenzava la stabilità del bagno di fusione. Di conseguenza, è stata proposta una rappresentazione grafica del pool di fusione e degli spruzzi per superfici eterogenee. Sebbene sia ancora difficile stimare teoricamente la finestra del processo in cui non ci sono spruzzi e difetti interni, le apparecchiature di monitoraggio in situ forniranno conoscenze per chiarire la formazione di spruzzi e difetti interni.

La produzione additiva tramite fusione laser a letto di polvere (PBF-LB) è ampiamente applicata nell'industria aerospaziale1,2 e medica3,4. Tuttavia, il processo PBF-LB presenta diverse limitazioni legate al deterioramento della qualità dei prodotti causato da microdifetti interni e alla garanzia di una fabbricazione stabile del prodotto. Il processo PBF-LB produce modelli 3D compilando letti di polvere irradiati con laser. Un letto di polvere è uno strato di polvere formato da un rivestimento in polvere, quindi un laser si irradia per sciogliere lo strato di polvere per creare una sezione 2D del modello 3D. PBF-LB richiede il controllo di vari parametri in termini di caratteristiche della polvere5,6, rivestimento in polvere e processi di costruzione7,8. Più precisamente, le condizioni di ricopertura della polvere e le caratteristiche della polvere, inclusa la distribuzione delle dimensioni delle particelle di polvere e la scorrevolezza della polvere, influenzano le caratteristiche del letto di polvere, ad esempio l'uniformità dello spessore dello strato di polvere, la densità dello strato di polvere e la ruvidità superficiale. Anche se le condizioni del processo di costruzione, ad esempio l'irradiazione laser e le condizioni atmosferiche, sono le stesse, il materiale costruito può contenere difetti interni quando le caratteristiche del letto di polvere sono diverse. Pertanto, l'effetto delle caratteristiche del letto di polvere sul processo di fusione durante la scansione laser è necessario per garantire la qualità dei prodotti finali9,10,11,12.

Recenti ricerche sul monitoraggio in situ del letto di polvere e della superficie della parte costruita si sono concentrate sul chiarimento del meccanismo di formazione dei difetti13,14,15,16,17,18,19,20. Sono stati proposti la proiezione del modello16, il rilevamento della visione e l'interferometria a bassa coerenza18 per quantificare la morfologia superficiale delle parti costruite21. Tuttavia, la morfologia superficiale del letto di polvere non è stata osservata e sufficientemente riportata.

Inoltre, la ricerca esistente si è concentrata sul meccanismo di formazione dei difetti durante il processo PBF-LB e si stanno sviluppando tecniche di monitoraggio per garantire la produzione stabile di prodotti di alta qualità13,14,15,16,17,18. Il meccanismo di formazione dei difetti causati da buchi di serratura e schizzi è stato studiato utilizzando una telecamera ad alta velocità8,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34 e micro-sincrotrone X tomografia computerizzata a raggi (μSXCT)35,36,37,38,39,40,41. Sono state riportate osservazioni sullo spruzzi e sul comportamento del bagno di fusione per la singola traccia laser su un letto di polvere42,43,44,45,46,47,48,49,50; tuttavia, queste osservazioni non spiegano adeguatamente la pratica scansione laser eseguita durante il processo PBF-LB. La maggior parte delle ricerche sono state condotte per una singola traccia laser sulla superficie uniforme del letto di polvere. Tuttavia, il processo pratico utilizza più tracce; ciascun laser scansiona una linea con la superficie di uno strato di polvere su un lato e la superficie della parte solida costruita da una precedente scansione laser sull'altro. In questa ricerca una superficie con uno strato di polvere e una parte solida è chiamata superficie eterogenea. A conoscenza degli autori non esistono resoconti sulla qualificazione sistematica dello spattering e del comportamento del bagno di fusione sulla superficie eterogenea.